вторник, 23 февраля 2016 г.

Синоптик датский

Поль ля Кур, раскраска фото.
Автор J.C. Schlichtkrull, из музея в Аскове.
Роль личности в истории страны, наверное, зависит не только от величины личности, но и от размеров самой страны тоже. И от размеров истории, ведь истории бывают разные; история ветроэнергетики в Дании несколько меньше истории самой страны, хотя они так переплелись последние пару веков, что их теперь трудно разделить.

Отец датской ветроэнергетики Поль ля Кур (не родственник Флёр Делакур) был урождённым датчанином, несмотря на французское имя (Poul La Cour). Дедушка датской энергетики был фермером, неизвестно как очутившимся в Дании, но прославившийся своим новаторством в области агрикультуры. Видно что-то неспокойное было в генах и оно передалось сыну.

Поль начинает свою автобиографию словами:

Af dem, der kender mig, finder vist mange, at jeg er en sær Blanding af Fysiker og Humanist, af Tænker og Føler.

"Каждому, кто меня знает, хорошо известно, что я странная смесь физика и гуманиста, мыслителя и душевной натуры," -- в этих словах важно не только содержание, но и форма обращения. Автор стремится быть объективным, хотя перед ним поставлена задача написать личный, субъективный текст, это литературная автобиография, а не curriculum vitæ. Здесь мы видим не столько скромность автора, сколько выражение бесконечных противоречий его сложного характера.

Подростком он поступает в латинскую школу, собираясь стать священником, но пренебрегает классическими предметами, увлекаясь математикой и изобретательством. Вместо церкви уходит учиться в Копенгагенский университет, изучает технические науки, а в 1869-м году, в возрасте 23-х лет, защитив магистерскую диссертацию, внезапно становится метеорологом. Имея хорошие связи и крепкую позицию (вице-президент в только что созданном Метеорологическом институте), берётся за решение частной прикладной задачи, далёкой от метеорологии как таковой. В итоге изобретает частотную модуляцию телеграфного сигнала.

Несколько лет уходит на патентные тяжбы в Америке, но всё решает тысяча долларов. Точнее её отсутствие. Впрочем, для какого-то молодого датчанина проиграть самому Беллу не так уж и позорно. В конце концов награда находит героя ещё при жизни, и он становится признанным "датским Эдисоном". Может быть, он так и остался бы телеграфистом-метеорологом, но религиозность его никуда не исчезла, а тут ещё и женитьба...

Поль ля Кур со своей второй женой
Christine Marstrand
Хульда Барфод (Hulda Barfod) занимала активную жизненную позицию. Она придерживалась взглядов Николая Грундтвига (Nikolai Frederik Severin Grundtvig) и даже была знакома с его дочерью. Хульда увлекла своего супруга идеями Грундтвига, которые оказались близки натуре Поля, и супруги взялись претворять их в жизнь. Жизнь Хульды оказалась коротка. Родив Полю троих детей, она умерла в 1878-м году, в том году, когда их семья переселилась в город Асков (Askov).

Наверное, следует рассказать, кто такой Грундтвиг, хотя, казалось бы, какое он имеет отношение к ветроэнергетике? Имеет, как ни странно. Дания в XIX-м веке, как и многие другие, если не сказать все остальные страны Европы, была подвержена националистическим идеям.  Истоки у всех были примерно одинаковы (становление национальной государственности), но результаты немного отличались. Так у южных соседей датчан подобное движение получило название völkisch и привело сами знаете к чему, у нас тоже народники дали неповторимый, к счастью, результат.

К датскому же счастью, маленькая страна, потерпевшая поражение в войне с Пруссией, преимущественно аграрная, бедная ресурсами и населённая небогатым населением, не могла претендовать ни на что, кроме как на возможность самосохранения. Возглавил эту идею Грундтвиг. Его эксперименты в области религии не дали никакой вразумительной доктрины, социальные и культурные тоже, единственное, чего ему удалось добиться в деле укрепления национального духа, так это создание оригинальной образовательной системы. Если национальный дух южных соседей ковался в пивных, то датчане собирались в так называемых "народных университетах" (Folkehøjskole).

Несмотря на полнейшую безалаберность этих учреждений, они оказались живучи и распространились по всей Скандинавии и даже имели некие рефлексы за её пределами. Народные университеты представляли собой некую смесь вечерней школы рабочей молодёжи, общества "Знание" и, таки да, пивной. В народных университетах не было чёткого учебного плана, предметы были преимущественно гуманитарные, оценки не выставлялись, экзамены не проводились, и даже свидетельства об окончании выдавались только по желанию студентов, которое случалось редко. Смысл обучения заключался в том, чтобы дать крестьянам те знания, в которых они сами нуждались, по требованию. Поэтому не было никакой нужды в оценках, колхоз дело добровольное.

В такую школу в Аскове приехал учителем Поль ля Кур, и она оказалась идеально соответствующей его устремлениям, здесь он предаётся своему истинному призванию: гимнастике и ветряными мельницам. Нельзя сказать, что он опять изменил род своей деятельности. В некотором смысле он был постоянен, как ветер в Дании. Он проработал в этой школе до самой своей смерти в 1908-м году. В наши дни в здании школы в Аскове располагается музей Поля ля Кура.

Ветряные мельницы Поля ля Кура в Аскове.

Det blæser muntert i Askov, som ligger godt 200 Fod over Havet og har fuldstændig fri Horizont. »Vi har kun to Dages Vindstille om Aaret,« sagde man. Det er forresten en Overdrivelse. Men sikke Masser af Energi der passerer over Askov, ja, over Landet, næsten fuldstændig toldfrit, mens Landet importerer andre Masser af Energi i Form af Kul og betaler dem i dyre Domme.

"Бодро дует ветер в Аскове, что лежит в 200-х футах над уровнем моря, и вокруг чистый горизонт. "У нас только два безветренных дня в году," -- как говорят. Немного преувеличивают. Но то, что через Асков проходит масса энергии, это да, над землёй, почти совсем беспрепятственно, в то время как страна вынуждена импортировать массу энергии в виде угля и платить за неё баснословный бакшиш," -- пишет в автобиографии Поль ля Кур, вспоминая свои размышления, приведшие его к созданию ветряной электростанции.

Но то были технические причины, ведущей же была причина идеологическая. Как сохранить людей на земле, предотвратить их бегство в город, уничтожающий нацию? -- вот в чём был вопрос датского синоптика. Необходимо облегчить крестьянский труд, а этому может помочь электричество, таков был его ответ. Но для этого нужны распределённые источники электроэнергии на местных ресурсах, ведь первые электростанции выдавали постоянный ток низкого напряжения, который не позволял транспортировать электричество на сколь-либо заметные расстояния из-за высоких потерь в сети, а поставки топлива на каждую ферму было трудно и дорого обеспечить.

В 1891-м году Поль ля Кур строит первую ветряную электростанцию в Аскове. Надо заметить, что ему удалось добиться сочувствия и финансирования со стороны властей. В 1897-м он строит модифицированный вариант ветряка, который проработал 30 лет. Изобретатель от бога, Поль не ограничивается использованием готовых решений. Он строит аэродинамическую трубу, в которой продувает модели ветряных мельниц, чтобы добиться аэродинамически оптимальной формы лопастей ветряной турбины (иначе уже не назвать).

Но и это не всё. Поль работает над проблемой неравномерности отдачи энергии от ветряной электростанции и потребления. Он первый использует электричество от ветряка для производства водорода электролизом. К этой идее вернулись только теперь, первая подобная полупромышленная установка была запущена в прошлом году. Водород он использует для освещения и сварочных работ. Затем ему приходит в голову идея производить удобрения (только прорабатывается на данный момент), но в конце концов приходит к аккумуляторам (популярное решение до сих пор). То есть, он на сотню лет вперёд предвосхитил технические решения проблем ветроэнергетики.

И опять следует вспомнить противоречивость его натуры. Не техникой единой, проявляется гуманитарный аспект его таланта. Поль ля Кур создаёт научную школу ветроэнергетики, у него появляются ученики. Он читает курсы по эксплуатации ветроэнергии, популяризирует идею, пользуясь возможностями народного университета.  Тем самым он обеспечил нынешнее равное положение маленькой Дании среди мировых лидеров ветроэнергетики.

Kort og godt: den, der skriver disse Linier, er en lykkelig Mand. Han har den Lykke at have tjent og fremdeles at tjene forskellige Sager, som han tror er af stor Betydning for vort Folk; og han tror at se alle disse Sagers Fremtid i Lysskær. - Naar han saa tillige har et lykkeligt Hjem med en Hustru og en Flok sunde og gode Børn, kan han saa ønske sig bedre Kaar?

"Короче: тот, кто пишет эти строки, счастливый человек. Он имел счастье послужить и продолжает служить на ниве разных добрых дел, которые, как он считает, имеют большое значение для нашего народа; и он видит в этих делах будущее в розовом цвете. -- Когда он так же счастлив дома, с женой и кучей здоровых и хороших детей, может ли он желать лучшей судьбы?" -- этими строками заканчивается автобиография Поля ля Кура, написанная в 1903-м году.

Механика сплошных вторников

Спасибо товарищу Троцкому за наш счастливый вторник!

суббота, 20 февраля 2016 г.

Чому я не сокiл

Отто Лилиенталь в полёте.
Фото П.В.Преображенского, 1895 г.
Как я уже писал, механика сплошных сред вообще и наука о движении тел в воздухе в интересующем нас частном случае начали развиваться в XVIII-м веке, но долгое время это были, в основном, теоретические исследования. Редкие попытки связать практику и теорию не давали никакого результата, оценить их удалось лишь задним числом. Но случались и замечательные работы, дававшие пищу для размышлений современникам.

Отто Лилиенталь (Karl Wilhelm Otto Lilienthal) родился на закате немецкого романтизма, что, на мой взгляд, не случайно. От вздохов и ахов он перешёл к практике. В возрасте 13 лет (как раз когда Халладей снабжал Трансконтинентальную дорогу своими мельницами) он совершил первую попытку полёта. К счастью, не настолько неудачную, чтобы его исследования в области воздухоплавания на том и закончились. Спустя 28 лет, в 1889-м году (когда Браш построил свою электростанцию), он опубликовал книгу "Полёт птиц как основа искусства летать", в которой подытожил многолетний труд, выполненный им совместно с братом Густавом. А ещё 7 лет спустя он погиб, совершив свой очередной полёт. В августе исполняется 120 лет со дня его жертвоприношения. Он сам сказал, умирая: "Жертвоприношение должно быть принесено".

Цитата из книги:

Природа ежедневно показывает нам, что полёт вовсе не так затруднителен. И если мы, совсем обескураженные, готовы были бы отказаться от надежды когда-либо летать, так как вычисления постоянно показывают нам, что для полёта требуется непреодолимая работа, то, с другой стороны, медленный легко прослеживаемый удар крыла летящей большой птицы, каждая кружащая хищная птица, даже каждая парящая ласточка как бы говорят нам: "Вычисление ошибочно, птица, несомненно, не производит той громадной работы; где-нибудь должен скрываться секрет, который одним ударом может разрешить загадку полёта". Перевод Е.С.Федорова

Романтик ли был Отто Лилиенталь? Разумеется, нет. Материалист и практик. Если теория противоречит фактам, то она не верна. Его книга полна рассуждений, образных описаний, наблюдений из жизни птиц, превосходных иллюстраций, Отто даже прибегает к поэзии, но его теоретические изыскания скорее вздор. У меня было желание привести некоторые нелепости, но ни к чему это. Просто предупрежу наивного читателя книги, чтобы он не принимал всерьёз ничего, что выходит за рамки описания опытов, которые провели братья Лилиенталь, и прямых выводов из них. Опыты же сами по себе чудесны, без всякой теории, результатами их пользовались долгие годы множество воздухоплавателей.

Чертёж аиста. М1:1. (Druck -- давление, нем.)
Из книги Отто Лилиенталя.

Описания открытий, совершённых во время экспериментальных работ, наполнены эмоциями:

...при известных углах наклонения сопротивление воздуха вовсе теряет задерживающий характер и, чему мы вначале просто не решались верить, приобретает даже, при известных условиях, такое направление к поверхности, что, вместо задерживающей составляющей, является двигающая, т.е., давление оказывается направленным к нормали поверхности не назад, а вперёд.

Удивительный факт, действительно. О нём, правда, уже знали создатели джонок, а во времена Лилиенталя ходить бейдевинд умели все европейские моряки, но моряки не строили планеров, а Лилиенталь не ходил под парусами. Как тут не вспомнить его "где-нибудь должен скрываться секрет". Цивилизация накопила к XIX-му веку огромный багаж знаний, но знания эти были раскиданы по разным головам. Такое положение дел сохраняется и по сей день, увы.

Раскрывая секрет полёта птиц, Лилиенталь пытается объяснить его самыми общими рассуждениями. Чувствуется, что он понимает что к чему, но рассказать не может. Он действительно понял секрет полёта собственным телом, став, в некотором роде, птицей... Птицы же не умеют говорить. На его рисунке ниже графическая попытка разъяснить причину увеличения  подъёмной силы крыла по сравнению с плоской пластиной.


У братьев Лилиенталь не было средств визуализации течения, поэтому этот рисунок фантазийный, но он близок к действительности. В верхней части рисунка бурление должно наблюдаться, в основном, со стороны пластины, закрытой от ветра. В нижней части линии над выгнутой частью крыла (в отечественной терминологии "спинка") линии разряжаются, а под вогнутой ("корыто") сгущаются. Картинки можно погуглить словами "линии тока профиль крыла".

По мнению Лилиенталя секрет полёта в предотвращении возникновения вихрей, которые крадут полезную работу. Ну, где-то так. Хотя надо понимать, что самолёт полетит и с плоскими крыльями, если у него будет достаточно мощный двигатель. Если же ещё увеличить мощность, то можно и без крыльев вообще. Впрочем, направлению создаваемых воздушных потоков автор тоже отдаёт должное. Для нас важно, что в этой книге впервые экспериментально доказано превосходство выгнуто-вогнутого профиля крыла по сравнению с другими формами.

Что же касается значения его творчества в целом, то он убедил других в том, что воздух необходимо воспринимать как среду со своими собственными законами, не привычными для нас, кто воздух обычно не замечает. Эти законы следует изучать, чтобы использовать для своих целей... Впрочем, и это тоже вздор. Главное, он дал понять, что полёт возможен.

В то время кино только делало свои первые шаги, но было сделано множество фотографий полёта Лилиенталя. Из них голландский художник Johannes Hogebrink склеил фильм. Внезапно, когда я уже заканчивал этот пост, мне подбросили этот фильм в фейсбуке.

Otto Lilienthal's First Film from Johannes Hogebrink on Vimeo.

пятница, 19 февраля 2016 г.

Для дома, для семьи

Ветряная электростанция Чарльза Браша.
Между первой и второй ветряными электростанциями перерыв совсем небольшой, около полугода. Американец Чарльз Браш (Charles Francis Brush) любил изобретательство как чистое искусство. Первую половину своей восьмидесятилетней жизни он занимался электротехникой, достиг значительных успехов, после чего продал свой бизнес и никогда больше не возвращался к этой теме. Остаток своей плодотворной жизни он посвятил самым разным отраслям знания, от пневматики до гравитации. Очевидно, что ему было без разницы чего изобретать, лишь бы чего-нибудь выдумывать.

Браш создал динамо-машину, аккумулятор, электрическую лампу, всё это своей собственной конструкции, полную систему освещения. В 1880 его система осветила Бродвей, на два года раньше, чем заработала первая в США коммерческая электростанция Эдисона. Неудивительно, что он решил оснастить электричеством свой собственный дом в Кливленде. Это случилось уже после продажи электротехнического бизнеса, так, маленькое развлечение по старой памяти, для дома, для семьи. Здесь он совпал с английским профессором. Но электричества Брашу нужно было больше, его занятия изобретательством требовали больших мощностей, чем маленький токарный станок. В подвале дома Браша была обустроена настоящая научная лаборатория.

В качестве привода для своей электростанции Браш выбрал автоматический ветряк. Если посмотрите на изображение этого ветряка, то, наверное, узнаете в нём водокачку Халладея. Это она и есть, только слегка переразмеренная, диаметр ветряного колеса 17 метров (56 футов). Мельница Халладея сделала ещё один эволюционный шаг, обзаведясь электрическим интерфейсом.

Электростанции Браша и Блита были похожи в том, что обе использовались для домашнего применения. Трудно сказать, какова была их мощность. Мощность ветряка Браша можно оценить по диаметру колеса, но неизвестны прочие параметры, как электротехнические, так и ветровые. С машиной Блита ещё сложнее. Но, плюс-минус, с десяток киловатт. С одной стороны, этого достаточно даже для современного домохозяйства (включая подогрев воды), но... не более того. Для сравнения, механическая мощность упомянутой электростанции Эдисона равнялась примерно 130 киловаттам (175 американских лошадей), а её здание занимало примерно ту же площадь, что и ветряк Браша, который только теоретически мог достигнуть такой мощности при сильном ветре, но его реальная эффективность была много меньше максимально возможной.

Дальше было хуже. Мощность тепловых машин росла, а их ветреные собратья оставались прежними, что и побудило англичан и многих прочих отказаться от использования энергии ветра для производства электроэнергии, внять мудрым доводам лорда Кельвина. С американцами было иначе. Страна большая, плотность населения во многих штатах низкая, потребность в распределённых источниках энергии была всегда, и ветроэнергетика, раз зародившись в США, так там больше и не умирала. Да и в целом не следует говорить, что "ветроэнергетике предстояли десятилетия застоя". Развитие шло очень бурное, хотя, в основном, в смежных областях.

четверг, 18 февраля 2016 г.

Слуги дьявола на чёртовой мельнице

Первая ветряная электростанция.
Борьба ветра и пара продолжалась. Вспомним, что паровую машину изобрёл всё тот же Герон Александрийский, но судьба этого его детища поначалу складывалась куда хуже, чем у ветряка. Да вообще никак не складывалась, по совести говоря. Может быть поэтому паровые машины взяли такой резкий старт, что к XIX-му веку обогнали по мощности ветряные мельницы. Как по мощности отдельной машины, так и по суммарной выработке. А может тому были какие другие причины, не важно.

В начале тридцатых годов XIX-го века Фарадей открывает электромагнитную индукцию, которая позволяет создавать генераторы электрического тока. Разработка этих устройств началась сразу же и продолжается до сих пор, но уже к семидесятым годам XIX-го века появились образцы, вырабатывающие электричество в промышленных масштабах. Появляется мода на электрическое освещение, а следом спрос на электростанции. Но электростанции нужен привод. Первые приводы были паровыми, потом появились гидроэлектростанции. Ветряные электростанции запаздывали.

Только в 1887-м году шотландский профессор Джеймс Блит (James Blyth) построил первый ветрогенератор в своей родной деревеньке Мэрикерк (Marykirk). Главным достижением в этой машине была, разумеется, электротехническая часть. Генератор постоянного тока собственной разработки профессора заряжал аккумуляторы, а от них уже питались электролампы. Сама мельница была очень простенькой, с вертикальной осью, как первые персидские. Поначалу профессор снабдил её четырьмя парусами, но в последующем заменил их на жёсткие лопасти (фото в начале поста).

Несмотря на простоту конструкции, мельница вполне удовлетворяла потребности сельского домика профессора в освещении и даже питала небольшой токарный станок. Как писал журналист Крис Харди в своей статье о профессоре, тот даже предложил односельчанам освещать мельницей главную улицу деревни, но те отвергли предложение, сославшись на то, что, по их мнению, электричество есть порождение сатаны. Не знаю так ли это, всё-таки время уже было просвещённое, может быть мы имеем здесь дело со знаменитым британским юмором, а селяне просто не хотели из-за одной улицы портить отношения с газовой компанией.

Мельница проработала четверть века, пережив профессора, но ветроэнергетика Великобритании пережить горя не смогла и была похоронена вместе со своим создателем. Хорошие бухгалтеры британцы быстро подсчитали, что энергия из ветра будет обходиться слишком дорого. Так Уильям Томпсон, более известный своим титулом лорд Кельвин, в 1881-м году в переписке с Камий Фор (Camille Alphonse Faure), французским изобретателем и производителем аккумуляторов, на предмет их использования в ветряной электростанции писал:

...ветряные мельницы и поныне слишком дорогие машины; и не представляется возможным чтобы без усовершенствований, которые ещё не произведены, ветер мог бы быть экономно использован для освещения в каких-либо существенных случаях, либо как источник энергии для выполнения работы других видов.

Тут я бы заметил, что барон Кельвин вообще прославился своими экспертными заключениями, сделанными исходя из очень простых соображений, больше, чем своими основными трудами. Совершенно незаслуженно, впрочем. Так и в этом случае он, по большому счёту, был прав. По счастью, его доводы не все слышали, и эстафета ветроэнергетики от Великобритании была принята другими странами.

понедельник, 15 февраля 2016 г.

Крылья, ноги и хвосты.

Центробежный регулятор
Патент Халладея лежит здесь: http://docsteach.org/documents/4688450/detail. Точнее эскиз к нему. Я позволил себе сделать с него пару выкопировок. Прошло полтора века, патент выдавался на семь лет. Надеюсь, картинки не забанят, как в прошлом посте. Впрочем, это не важно. Схема очень общая, в последующем она воспроизводилась в разных вариантах, мало похожих на оригинал. Только что принцип оставался тот же самый. Картинку кто хочет может посмотреть самостоятельно.

Так в чём же новшество? Как ни странно, но в мельнице Халладея не было ничего нового. Все технические решения, составляющие её основу, уже прежде где-нибудь, да использовались. Вся хитрость была собрать их вместе, чтобы получилась хорошая машина, способная к тому же работать в полностью автономном режиме около месяца (межсервисный интервал).

Автоматизация  мельницы осуществлялась центробежным регулятором, который в словаре Брокгауза и Ефрона назван "колеса Галладая". На самом деле, такой регулятор частоты вращения ведущего вала был установлен ещё на знаменитой паровой машине Джеймса Уатта в конце XVIII-го века. Что интересно, машина Уатта тоже использовалась для перекачки воды. Можно сказать, что тепловой двигатель обогнал ветряной в гонке инноваций, но не тут-то было. Центробежный регулятор был известен ещё до Уатта и применялся... в ветряных мельницах. Правда там он работал несколько иначе. Он менял величину зазора между жёрновами в зависимости от частоты их вращения.

Подпись любопытная. Daniel Halliday.
Вероятно, это поздняя подпись чужой рукой, а не автограф.
В пояснительной записке к патенту лопасти ветряного колеса называются the wings or sails. "Крылья или паруса", терминология меняется, и это не филологический изыск. Меняется конструкция главного рабочего органа машины. На это обстоятельство в рассказах о мельнице Халладея обычно не обращают особого внимания, сосредотачиваясь главным образом на изложении принципа работы центробежного регулятора. Но последний хотя и являет собой хитроумную конструкцию, тем не менее, выполняет второстепенную функцию.

Его роль -- поворачивать крыло, изменяя угол атаки. С этой задачей может справиться и какое-нибудь другое устройство. Главное то, что лопасть теперь работает как жёсткое тело (первые крылья были деревянными, потом их стали изготавливать из металла). Вроде бы здесь нет новшества, мельница Хупера тоже имела поворотные пластинки, но они меняли парусность, а не угол атаки. Это существенная разница. Крылья мельницы Халладея скорей напоминают китайскую мельницу. Опять всё изобрели китайцы.

Другое новшество тоже обычно обходят вниманием, хотя оно такое же заметное, как и крылья. Хвост, разумеется. Хвост, работая как флюгер, устанавливает мельницу точно по ветру, а центробежный регулятор, изменяя угол атаки крыльев, регулирует частоту оборотов мельницы, не позволяя ей пойти в разнос. Вот такая немудрёная автоматика получилась.

Третье усовершенствование -- ферменная конструкция опоры, изобретение незапамятной древности, даже не получившее отражение в патенте, хотя в ветряных мельницах такие опоры прежде не использовались. Ферменная опора придала прочности конструкции при малой стоимости.

Для комплекта следует добавить неплохой насос и получаем ходовой продукт. Благодаря своей автоматике, мельницы Халладея нашли широкое применение не только на железной дороге, но и в сельском хозяйстве. Фермеры, как отмечается, покупали их даже в складчину, не заморачиваясь вопросами управления и техобслуживания. Популярности способствовало и то обстоятельство, что простота конструкции и ограниченность патента позволили работать на рынке конкурирующим фирмам, что удерживало цену на мельницы на низком уровне.

Именно от мельницы Халладея следует вести родословную современных ветряных турбин. По сути дела, далее происходили усовершенствования деталей конструкции. Основа же её, платформа, можно сказать, остаётся неизменной с 1854-го года. Однако, усовершенствование было делом непростым. Нужно было во многом разобраться, ведь создавались ветряные мельницы путём проб и ошибок, без теоретической основы.